发现C-H⋯O键的被遗忘的女性晶体学家

大概是在20世纪60年代早期，多萝西·琼·苏特(Dorothy June Sutor)在对x射线衍射数据进行了长达数周的分析之后，才在脑海中形成了一个超前的想法。解码这些斑点所代表的嘌呤晶体结构可能帮助她想象出一种以前难以想象的化学现象。

他解释说，当时许多晶体学家都经历了这个密集的过程，但也从中受益莫林朱利安几年后，他成为了苏特的密友。在美国弗吉尼亚理工大学教授晶体学的朱利安说:“它促进了对每种化合物进行更深入的研究，因为这需要很长时间。”

1962年¹和1963年²， Sutor以唯一作者的身份发表了两篇论文，描述了氢原子与碳原子之间有吸引力的氢键相互作用。然而，她的想法遭到了美国晶体学家和氢键专家杰里·多诺霍(Jerry Donohue)的拒绝。多诺霍的影响力很大，部分原因是他在1952年与詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)共用一间办公室，以及他随后在帮助猜测DNA双螺旋结构方面发挥的作用。

英国阿斯顿大学(Aston University)退休晶体学家卡尔·施瓦尔贝(Carl Schwalbe)在讲述她的故事时写道:“这种氢键几乎变得难以启口。”^3.Sutor的证据并不是决定性的，她的想法只有在她离开结构晶体学研究之后才被广泛接受。“像多诺霍这样的人，已经解决了几十种晶体结构，可以想象，他们可能会怨恨琼·苏特尔，她解决了一些问题，然后带着这个新概念深入研究文献，”施瓦尔贝说必威体育 红利账户．施瓦贝写道:“在科学领域，尤其是物理科学领域，对女性的接受程度还远远不够。”

朱利安说，苏特对自己的氢键研究“非常、非常自豪”。她说她的朋友才华横溢、慷慨大方、关心人、有尊严，这在一定程度上要归功于她的成长经历。人口普查记录显示，她1929年出生于新西兰，是一位“汽车制造商”的女儿。据朱利安说，苏特的父亲从英国进口重型机械，然后组装消防车、公共汽车、救护车和其他车辆。朱利安说，这家企业“非常成功”，最终“琼的父亲收到了一份慷慨的要约，买下了整个企业”，让这个家庭变得富有。

冲卡

Sutor于1952年和1954年在新西兰第一位晶体学家Frederick Llewellyn的指导下获得了奥克兰大学的理学硕士和博士学位。她清晰的才华为她赢得了一流荣誉，高级学者和研究生学者奖项，推动她成为改变化学的结晶学家。这一领域的发展始于1912年，当时德国物理学家马克斯·冯·劳埃和他的同事们发现，原子的编码模式变成了穿过它们的x射线，在照相底片上记录为斑点。第二年，英国的结晶学先驱劳伦斯和威廉·布拉格研究出了如何用数学方法破译编码的化学结构。

到20世纪40年代，许多晶体学家都在研究生物分子，英国牛津大学的多萝西·霍奇金(Dorothy Hodgkin)在胆固醇方面走在了前列。因此，Sutor来到英国，在剑桥大学获得了第二个博士学位，并于1958年发表了嘌呤化合物的结构，其中包括咖啡因。在澳大利亚工作一年后，苏特搬到伦敦的伯克贝克学院讲课，在那里约翰·伯纳尔、罗莎琳德·富兰克林和亚伦·克鲁格开创了分子生物学中的x射线晶体学。她在这里写了1962年和1963年的论文。奥尔加·肯纳德(Olga Kennard)说，苏特是“一位谦虚而又非常有能力的科学家”，她对苏特了解不多，并创立了英国的剑桥晶体学数据中心(CCDC)，但现在已经退休了。

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当时的科学家们使用的相机可以让他们重复地定位由x射线衍射图样在胶片上形成的斑点。施瓦贝的第一个晶体结构是硼氢化物。他的Weissenberg相机提供了包含约9000个斑点的花饰或链，他手工索引并分配强度。施瓦尔贝回忆说:“你把这个校准过的条带放在每个条带旁边，注意条带上哪个点的黑度最接近。”他补充说，男性晶体学家通常“会让他们的妻子做很多这样的工作”。

从这些指标中计算结构最初需要手工数月，直到科学家们有了机械穿孔卡片制表器，就像1945年霍奇金用来计算青霉素结构的那种。当苏特尔到达伯克贝克学院时，她已经可以在“伦敦大学”进行水星的计算，她在英国国家档案馆保存的信件中写道。她可能指的是早期的弗兰蒂水星计算机。在后来的一份简历中，也在国家档案馆中，她宣称自己对“电子计算感兴趣，并为剑桥的edsac和伦敦的Mercury写过程序”。

英国达勒姆大学的晶体学家朱迪斯•霍华德回忆说，20世纪70年代，他还在翻译一台机器产生的代码，这种机器可以把磁带上的洞打到穿孔卡片上。“如果你有一个非常大的数据集翻译成一堆卡片，如果你把它们弄丢了，你就惨了，因为没有办法把它们按正确的顺序放回去。”

可接受的原子?

结晶学依赖并帮助提高了对原子间相互作用的科学理解，这种相互作用的根源在于19世纪晚期约翰内斯·范德华斯的工作。他的许多发现包括限制两个原子之间的距离:范德华半径。这个晶体学的关键参数被认为是给定元素的两个非键原子之间最接近距离的一半。

苏特利用了这个概念和莱纳斯·鲍林在1932年描述的电负性概念。电负性元素在原子核周围聚集电子的密度比与它们共价键结合的其他原子要高，这使它们具有部分负电荷。它们所连接的电负性越小的原子就有越少的电子和部分正电荷。

在氢键中，这些部分电荷相互作用，以帮助电负性“供体”原子定向，共价键结合到氢原子上，而氢原子非共价键吸引另一个电负性“受体”原子。最经典的例子是氧原子和氧氧键之间的关系。碳和氢的电负性值非常相似，这使得碳看起来不太可能是供体。

Sutor在她1963年的论文中写道:“氢键会缩短相关原子之间的范德华距离。”“氢原子位于两个电负性原子之间，并且假定供体、氢原子和受体原子是线性排列的。供体原子和受体原子通常是电负性最强的元素——氟、氧、氮和氯——但被促进电离或部分电离的基团激活的C-H基也可以参与氢键的形成。”

最后的断言很大胆，但也有证据支持。例如，氯仿等卤代烃在含氧或氮原子的溶剂中溶解得比预期的要好。一些科学家将其归因于氢键，即一个氢原子直接连接到氯仿的单个碳原子上。同样，光谱学暗示了C-H⋯O氢键，但只有晶体学才能显示精确的原子排列。

一条线索是苏特1,3,7,9-四甲基尿酸(或茶氨酸)晶体结构中甲基和氧之间的距离。⁴使用当代范德华半径，甲基碳和氧原子之间的距离应该是3.40 ångstroms (Å;1Å = 0.1nm)。Sutor测量的距离仅为3.00Å，并估计这相当于甲基氢和氧之间的2.26Å。她在1962年的论文中基于八种碳氧距离低于3.30Å的嘌呤晶体结构。

Sutor的后续论文包括24个已发表的类似例子，包括DNA，并涉及在不同环境中与碳原子结合的氢原子的相互作用。她写道:“C-H⋯O氢键在生物分子结构中的作用是否与其他种类的氢键一样重要，这很容易引起人们的猜测。”

1964年，美国纽约布鲁克海文国家实验室的菲利普·科普斯提供了进一步的证据:对2-硝基苯甲醛的中子衍射研究。这个分子很好地形成了分子内C-H⋯O氢键，因为乙醛氢靠近硝基的氧原子。此外，氢原子在中子中比在x射线中表现得更清楚，因为与x射线不同，中子与原子的相互作用不依赖于原子序数。科本斯描述了一个短暂的2.38Å氢氧接触。但有一个问题:分子中的乙基和硝基与芳香环不在同一个平面上。

Schwalbe说:“为了达到最大的电子重叠，醛和硝基应该尽可能地共面。”“是什么阻止了他们?”位阻。什么可以克服空间位阻?氢键。空间位阻阻止它们完全共面，但它们可能比实际情况更接近共面。”

氢键反派?

主要的批评者是南加州大学的杰里·多诺霍(Jerry Donohue)，他在1952年发表了一篇关于氢键的有影响力的评论。他还告诉沃森和克里克，他们使用了错误的DNA胸腺嘧啶和鸟嘌呤碱基结构，影响了它们的氢键。1968年，多诺霍写了一本书碳氢键⋯氢键是什么?由于数据问题，它排除了Sutor的几个样本，但又增加了七个短C-H⋯O相互作用的例子。其中包括Coppens的研究，Donohue强调了2-硝基苯甲醛拒绝躺在平面上。他认为，这一结果表明“2.38Å的O-H距离并不是正在发生氢键形成的假定证据”。

Donohue还认为Sutor高估了氢原子和氧原子之间的范德华距离。他暗示，这种高估更有可能是Sutor在测量中看到更短距离的原因。多诺霍认为，她所说的氢键因此根本不涉及吸引力的相互作用。考虑到当时可用的数据，他断言，在没有氢键的情况下，氧-氢接触到2.20Å也可以发生。多诺霍总结道:“本节标题中的问题的答案是‘它不是’。”

Schwalbe指出，因为这是一本书的章节，这种批评比一篇标准的研究论文更难反驳。罗宾·泰勒(Robin Taylor)也是CCDC的退休化学家，他补充说，当时每个晶体学实验室的书架上都有这本书。泰勒说:“基本上，他对苏特的建议是严厉的。“有传言说，任何撰写晶体结构论文并假设存在C-H⋯O键的人都被多诺霍审查了，但被拒绝了。”

在她最后一篇C-H⋯O论文发表后，Sutor职位的资金用完了，她搬回了她的家乡新西兰。据朱利安说，苏特在国家科学和工业研究部工作后，为了照顾患有癌症并于1966年去世的父亲，她离开了。朱利安说，虽然苏特足够富有，可以“自己安排修道院”，但她不顾一切地想要回到研究领域。

苏特很幸运地在伦敦大学学院找到了一份工作，与著名晶体学家凯瑟琳·朗斯代尔(Kathleen Lonsdale)一起工作，她的职业生涯始于布拉格夫妇。1966年，朗斯代尔聘请苏特应用晶体学研究尿路结石(膀胱结石)是如何形成以及如何预防的。朗斯代尔的论文——包括与苏特的通信——保存在英国国家档案馆，是本文的宝贵资源。

朗斯代尔需要一个晶体学方面的专家，但苏特也有其他技能。朗斯代尔在给纳菲尔德基金会助理主任J W McAnuff的信中写道:“苏特尔医生表现出自己特别善于与医院高级员工取得必要的联系和合作。”所以，就在多诺霍发表批评言论的时候，苏特正在分析法国皇帝拿破仑三世的膀胱结石。⁵

1969年，朗斯代尔为苏特争取到了一笔为期两年的10000英镑的纳菲尔德基金，而她在这期间的年薪为2600英镑。朗斯代尔和苏特还一起写了一本关于结石的书，但出版商的反应可想而知。1971年朗斯代尔去世后，苏特一直坚持写作，直到1974年才得以出版。苏特继续研究这些石头，在1981年的一篇论文中指出，自从1979年她部分失明以来，她“对石头生长的理论方面产生了兴趣”。

很容易想象，Sutor从结构晶体学的转变可能是对她的C-H⋯O键假设被拒绝的回应。的确，Sutor在她和Lonsdale之间的通信中唯一一次提到C-H⋯O债券是在她的简历中。但1966年至1968年在朗斯代尔小组工作的朱利安记得，苏特曾就这一主题举行过一次研讨会，并强调她的论文吸引了大量引用。

朱利安强调了多诺霍、沃森和克里克之间的联系，以及后者对待罗莎琳德·富兰克林的方式。1983年，朱利安出版了一本富兰克林的传记，描述了沃森和克里克如何使用“不光彩的行为”从富兰克林收集的DNA中获取晶体学数据。⁶在那篇文章中，朱利安提到了伦敦国王学院的“男人俱乐部”氛围，富兰克林在搬到伯克贝克之前曾在那里工作。现在，她认为多诺霍对苏特的态度可能有类似的起源。然而，肯纳德认为，“对她的理论的反对与琼的女性身份毫无关系。”她说:“晶体学界一直非常支持女科学家。”

然而，苏特的作品成了禁忌。因此，印度晶体学家Gautam Desiraju 1975年在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校攻读博士学位时并没有考虑到这种相互作用，“尽管我实际上正在研究它们”。现在在班加罗尔的印度科学研究所工作的Desiraju，在20世纪80年代中期首次探索了C-H⋯O键，当时遇到了没有它们就无法解释的晶体结构。在那之后的几年里，他了解到多诺霍的反对是多么激烈。“我和我在美国的同事谈过，他们说他们害怕使用‘C-H⋯O氢键’这个词，因为多诺霍太有影响力了，”德斯拉尤说。“他们说，‘看，这是得到我的拨款的问题。’”

深刻的遗产

Desiraju可以开始研究这个话题，这在很大程度上要归功于泰勒和肯纳德1982年的一篇论文，该论文挽救了Sutor的C-H⋯O键合主张。⁷分析了剑桥结构数据库中的113个中子衍射图，他们发现了一个统计上显著的趋势，即倾向于短的分子间C - H⋯O接触，而不是C - H⋯C或C - H⋯H。泰勒回忆说:“我们有多得多的数据。”这确实是苏特作品的局限性。有这么多数据，你不能确定。特别是，在大多数结构中，你实际上看不到氢原子。”

同行评审该研究的科学家都没有拒绝它，尽管泰勒记得其中一位“脾气很暴躁”。“他说，‘我不会叫它们氢键，我会叫它们sutor’。我敢打赌是多诺霍干的。从上下文来看，它没有任何尊敬的意思。基本上就是‘这个女人建议的，但坦白说，它们只是一个发明’。”

总的来说，Sutor的碳氧距离被证明是可靠的，与现代测量的平均差距为0.03Å，最差的是0.07Å。由于x射线难以定位氢原子，氢-氧距离与现代值的平均差异为0.12Å至0.26Å。总的来说，Sutor引用的案例仍然支持她的结论，除了在结构分析中没有找到氢原子。

尽管苏特幸存下来，看到泰勒和肯纳德为她辩护，但没有迹象表明她对此有何感受，她也从未向朱利安提起过这件事。1990年5月27日，苏特和她父亲一样死于癌症。根据遗嘱记录，她留下了536210英镑(相当于今天的100多万英镑)的遗产，但选民名册记录显示她没有直系亲属在世。相反，她的遗嘱于1993年在伦敦的Moorfields眼科医院设立了June Sutor奖学金，用于预防失明的研究，该奖学金至今仍在活跃。但Sutor关于C-H⋯O氢键的假设是一项重要的化学遗产，激励科学家寻找其他类似的弱吸引力相互作用。泰勒说:“现在有几十个。”

Desiraju将继续写一本关于弱氢键相互作用的书，并将1996年关于C-H⋯O氢键的综述献给Sutor。⁸这是出于对她的系统方法的尊重，但他也“觉得那时每个人都有点忘记她了”。“现在，如果没有C-H⋯O，就不可能考虑结构化学或结构生物学，”他补充说。

与此同时，Desiraju称多诺霍的明显行为是苏特故事中“非常悲伤的一面”。德西拉朱说:“当一位伟大的科学家出错时，它可能会对一个领域产生非常不利的影响。”“因此，我认为杰出的科学家在批评一项工作时应该非常小心。”

安迪·Extance是一位生活在英国埃克塞特的科学作家。